向50毫秒恢复时间的共享型格形全光网演进

传统光网络是围绕SONET/SDH设备采用互连的环形拓扑构建的。     当发生设备故障或者光纤断裂时，这种拓扑可以保证在50毫秒内完成业务恢复。然而，环形网络拓扑具有两大缺陷。首先，当网络规模扩大或者业务模式发生变化时，扩展带宽的难度大、成本高。由于环形拓扑中所有节点的接口必须同时升级到同样的速率，因此费用很高。其次，为了保证50毫秒的业务恢复时间，网络至少需要100％的冗余量。在互连的环形拓扑中，业务沿着两条通路流向目的节点，目的节点选用其中质量较好的一路业务信号──这就是众所周知的SONET的1＋1保护网络配置方式。     另一种使用点到点链路的格形光网络结构也可以实现50毫秒的保护时间，但却能降低投资和运营成本。格形光网络的光传送节点通过点到点链路相连，运营商可以对网络采用合理的配置方式，而网络拓扑也不再局限于环状互联。这种配置方式可以通过增加额外的点到点链路和光传送节点来扩展带宽，而无须对所有的节点进行升级。这样就克服了互连的环形拓扑的第一种缺陷。　     通用多协议标记交换　     通用多协议标记交换（GMPLS）协议的发展，促成了格形光网络的实现。GMPLS是数据业务和光网络演进和集成的基础，它通过使用一系列协议可以实现对多种不同技术的控制。　     路由器提供商和光通信设备提供商正在联合开发这种已经标准化的协议，以便使业务层能够动态地向传送层请求带宽。GMPLS是MPLS控制平面的扩展。它在现有的支持路由器和ATM交换机的MPLS信令和路由协议基础上进行了修改，以适用于光交换。对现有的MPLS　协议的扩展需要考虑到光网络的特性，例如：　     ●　扩展资源预留协议－流量工程（RSVP-TE），以便在光传送网和面向连接的环境中支持与光通道路径相关的信令和配置。　     ●　扩展开放式最短路径优先协议（OSPF）、中间系统路由选择协议（IS-IS）和内部网关路由协议（IGP），以便公告可用的光网络资源、其它网络属性和约束条件。　     ●　制订新的链路治理协议（LMP），以便处理光网络中与链路治理相关的问题。　　     新增加的GMPLS功能消除了MPLS控制平面的很多限制，例如：在一个信令请求下不能建立一条双向的标记交换通路（LSP）；缺少将保护带宽用于低优先级业务的计算机制；缺少链路保护属性；缺少与用户数据相关的带外信令。　     共享型格形网的恢复要使用GMPLS控制平面来建立一条基本光通道路径，并将它配置为格形网中一对端点之间的LSP。这条基本LSP在两个端点之间传送用户数据。为了保护这条基本LSP，需要在这两个端点之间建立一条独立的备用LSP。但是与基本LSP不同的是，在沿通路的各链路和节点处，并不为这条备用LSP分配资源（例如，波长或者时隙）。当基本LSP沿线某处发生网络故障时，保护它的备用LSP就被激活了──一个信令请求将这条备用LSP转变为基本LSP。此时，通路沿线的资源就被分配给这条LSP，并开始传送用户数据。　     考虑到单个网络故障的情况，并对基本LSP断裂进行保护和恢复，这种方案答应两条或者多条备用LSP共享格形光网络中的资源。这样，通过共享恢复资源，就克服了互连环形拓扑的第二种缺陷。在网络未发生故障时，这种方案还答应低优先级的、尽力而为的基本LSP使用恢复资源来传送用户数据，直到网络故障发生后需要使用这些资源时为止。　     共享型格形拓扑　     基于硬件的SONET/SDH网络恢复包含以下四个步骤：故障隔离、故障定位、故障通知和故障解除。在基于控制平面的光网络中，消息在节点之间进行交换，因此这四个步骤不可能在运营商所要求的50毫秒之内完成。然而，共享型格形网络恢复方案可以在恢复时直接驱动光开关，并且在要害通路的恢复过程中取消故障隔离和故障定位步骤。它采用如下方式加快故障通知和故障解除的速度：　     ●由于基本LSP和备用LSP采用格形光网络中的不同通路，当基本LSP沿线某处发生网络故障时，它的备用LSP就被激活了。这样就无需在恢复阶段对要害路径进行故障隔离和故障定位处理。　     ●由于全光交换网的数据平面在中间节点无需进行光电变换，因此，在光信号丢失事件所要求的时间之内，消息将以光速传播到各个节点，则LSP端点所在的节点处也就以光速检测到网络故障的发生。也就是说，数据平面中的故障通知是在端到端之间以光速完成的。     ●在发生故障后，备用LSP将被激活。这就需要从入口节点向出口节点沿LSP逐段传送RSVP信令消息，再从出口节点到入口节点将另一个RSVP信令消息逐段发送回来。这样，沿途的所有节点都为LSP建立起正确的数据平面，从而避免用户数据被错误定向。　     ●另一种方案是采用实时信令，在入口节点和出口节点之间逐段传送一个单独的RSVP信令消息，用以建立入口到出口节点之间的数据通路。在消息传送过程中，用户数据可能被错误定向。但是由于所有用户数据都携带了每条LSP唯一的识别符，因此接收节点会将这些错误定向的用户数据丢弃。     图1所示是采用尽力而为型通路进行共享型格形网络保护的方案。A和G节点分别为两对基本/备用通路的信源节点，它们同时使用GMPLS链路状态计算出基本和备用通路上的各个分立路由。路由是指一条从信源节点到信宿节点的一系列链路/节点识别符；同一路由可以被多个通路共享。　
    基本通路A-B-C-D的保护通路是一条与之完全不相关的分立备用通路A-E-F-D。另一条基本通路G-H-I-J的保护通路为备用通路G-E-F-J。链路　E-F被两条备用通路和尽力而为型通路K-E-F-L共同使用，并用来传送额外业务。     这两个节点使用GMPLS信令，非凡是RSVP-TE（“PATH”和“RESV”消息）来建立基本和备用通路。PATH消息从信源节点传送到信宿节点，其中的一个比特指示出当前建立的通路是基本通路还是备用通路。假如所建立的通路是基本通路，则沿通路各节点（信源节点、中间节点和信宿节点）将对其交换矩阵进行编程，为这条通路及其反向通路分配资源。假如一条尽力而为型通路正在使用所需要的资源，那么基本通路将抢占这些资源。假如所建立的通路是备用通路，那么沿通路各节点此时并不为其分配资源。相反，这些节点将保留所需资源，并答应其它尽力而为型通路使用这些资源，直到信源节点发送一个后续的PATH消息将这条通路变为基本通路时，信源节点才能重新申请使用这些资源。这就是备用通路的激活。　     为了答应中间节点共享保护资源，在建立备用通路时，PATH消息将携带相应的基本通路所使用的路由。假如当前建立的备用路由和其它备用路由使用了相同的资源，那么中间节点将对其相应的基本通路所使用的路由进行对比。假如相应的基本通路没有共享相同的资源，那么保护资源才可以被备用通路共享。这样，当发生单个网络故障时，所有受影响的基本通路就可以激活相应的备用通路，而不会发生保护资源的竞争。　     位于每对基本/备用通路端点的符合ITUG.709或SONET/SDH标准的收发机可以监测双向光纤故障中的光信号丢失（LoL），或者单向光纤故障中符合G.709标准的反向缺陷指示（BDI）和符合SONET/SDH标准的远端缺陷指示（RDI）。收发机在LoL或BDI/RDI规定的时间内检测到基本通路故障，并将故障消息以光速传送到基本路径的端点。　　     当备用通路被激活时，为了防止用户光信道被错误定向，在指定的通路中传送的每个帧的G.709或SONET/SDH帧头中必须包含一个全网唯一的“PATHID”。当通路被建立时，通路端点将交换这个值。假如端点从某条通路上接收到一个G.709或SONET/SDH帧的帧头值和该通路的指定值不同，那么这个帧将被丢弃。对于一对基本/备用通路，这个全网唯一的帧头值是相同的。　　     在图2中，节点B和C之间发生链路故障，位于基本通路A-B-C-D两端的　G.709或SONET/SDH收发机通过LoL或者BDI/RDI检测到故障。由于基本/备用通路没有共享资源，因此当节点A检测到基本通路A-B-C-D发生故障时，它立即激活相应的备用通路A-E-F-D，而不必等到查明基本通路故障是由于B和C　　之间的链路故障造成的。然后使用GMPLS的LMP故障隔离程序进行故障隔离。接下来，“正常”的链路段（例如　　A-B段和C-D段）被LMP验证程序重新检测，并被声明为正常工作状态，然后这个消息被广播到IGP数据库。上述操作过程并不降低从故障中恢复的速度。　　     当节点A检测到基本通路A-B-C-D发生故障时，它立即激活相应的备用通路A-E-F-D，而不必等到查明基本通路故障是由于B和C之间的链路故障造成的。     当故障发生时，需要将基本通路倒换至备用通路。此时节点A发送一个PATH消息，指示A-E-F-D成为当前的基本通路。这个消息经过节点E和F转发，最终到达节点D(如图3所示)。每个节点同时对其交换矩阵进行编程，建立前向和反向通路。节点E和F将抢占尽力而为型通路K-E-F-L，并通知节点G和J，备用通路G-E-F-J已经不能再使用E-F段了。     当链路故障（B-C）发生时，节点A发送一个“PATH”消息，指示通路A-E-F-D成为当前的基本通路。这个消息被节点E和F转发，最终到达节点D。每个节点同时对交换矩阵进行编程，建立前向和反向通路。节点E和F将抢占尽力而为型通路K-E-F-L，并通知节点G和J，备用通路G-E-F-J已经不能再使用E-F段了。     在整个保护倒换阶段，G.709或SONET/SDH收发机都不关闭。当沿通路的四个节点都处理完PATH消息并对交换矩阵编程时，A和D之间的通路立即被恢复，收发机之间也完成了重新连接。　     为了减少控制平面开销，多条备用通路可以通过使用GMPLS的PATH消息来共享相同的路由。哪些备用通路共享哪些路由可以由信源节点在故障分析阶段进行识别。     共享型格形网络的体系结构　     在目前的网络中，SONET/SDH提供独立的工作和保护通路。为了提供N条通路，需要（N×H＋N×H×a）的资源。这里H是建立一条基本通路所需的平均资源；H×a是建立一条备用通路所需的平均资源。通常a需要根据备用通路长度、业务矩阵等因素，在1.2－1.8范围之内取值。　     在共享型格形网络结构中，也可以建立起类似的使用（N×H＋N×H×a）资源的环网。但是假如采用本文提出的方案，就可以在点到点的共享型格形光网络节点之间的多个连接中，重复使用多个备用通路段。这样所需的资源就变为（N×H＋N×H×b），其中第一个项对应基本通路所需的资源，第二项对应备用通路所需的资源；在仿真中，b的取值在0.6－0.8之间。这就意味着，点到点的共享型格形网络结构比传统互连型环网结构所需的保护资源节省了50％多。由于这两种结构都可以保证50毫秒的恢复时间，因此低成本点到点全光网络的铺设将指日可待。